JP3672597B2 - Fuel lance for liquid and / or gaseous fuel - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は燃焼技術分野に関する。本発明は燃焼室へ挿入される、液状及び又はガス状の燃料のための燃料ランス、例えばガスタービンにおいて使用される燃料ランスが対象である。
【0002】
【従来技術】
液状及び(又は)ガス状の燃料を前混合バーナの燃焼室に噴射するためには、燃焼室内に突入し、燃料をそばを流れる燃焼空気内へ適当に分配して供給する燃料ランスが使用される。
【0003】
このような燃料ランスの設計に際しては部分的には環境条件からかつ部分的には課される要求から必要である種々の要求を充たす必要がある。
【0004】
すなわち、燃料ランスのそばを流れる燃焼空気はランスにおける燃料の流れとはほぼ無関係な温度を有する。ランス自体及びランス内で導かれる燃料は燃焼空気の高すぎる温度に対して保護する必要がある。
【0005】
燃焼室を燃料量の比が高い状態で全負荷と部分負荷との間で運転する場合には、どの運転状態でも燃料が適当な分配状態で提供され、同じ形式で燃焼空気流に供給されかつ混合されるように配慮されなければならない。バーナのエアロダイナミックは実地においては燃料とは無関係であるので、適正な燃焼を達成するためにはガス状の燃料も液状の燃料も同じ形式で燃焼空気流に噴射され得るものでなければならない。
【0006】
バーナの効率ができるだけ大きくなるようにランスにおいてはできるだけ少ない運搬空気もしくは補助空気しか使用されないようにしたい。
【0007】
さらに燃料ランスの範囲において形成される、燃料を含有したガスで充たされ、火炎バックフラッシュ又は熱音響的な振動をもたらすリサイクルゾーン又は後流れはできるだけ小さくなるように配慮する必要がある。
【0008】
液体燃料を噴射する場合、すなわち特にオイルを噴射する場合には細かく分配されたオイル−空気混合物が早期に着火されることが回避されなければならない。
【0009】
さらに液状の燃料のためにはランスの内部で、高められた温度及び燃料の気化に基づき、有害な堆積物が形成されることが回避されなければならない。何故ならばこの堆積物は長期的に見てランスの運転を妨げるか又は全く不可能にするからである。
【0010】
【発明の課題】
本発明の課題は前述の要求を充たし、ガス状及び又は液状の燃料を確実に噴射すると共に効率を高めかつ有害成分のエミッションが少ない燃料ランスを提供することである。
【0011】
【課題を解決する手段】
本発明の課題は燃焼室へ挿入される、液状及び又はガス状の燃料のための燃料ランスにおいて、
(イ)液状の燃料を導く液体燃料通路を取囲む、ランス軸線に沿って延びる液体燃料管と、
(ロ)液体燃料管を取囲み、液体燃料管との間にガス状の燃料を供給するためのガス通路を形成するガス管と、
(ハ)ガス管を取囲み、ガス管との間に冷却もしくは噴霧化空気を導くための空気通路を形成するためのランス外套と、
(ニ)燃料ランスの下流側の端部の側部に設けられ、空気通路から燃料ランスを取囲む燃焼室へ空気を流出させる少なくとも1つの空気/燃料ノズルと、
(ホ)ガス管内に配置され、ガス通路からのガスを空気通路と少なくとも1つの空気/燃料ノズルとを通って空気と共に燃焼室へ流出させる少なくとも1つのガスノズルと、
(ヘ)液体燃料管内に配置され、液体燃料通路からの液体燃料を空気通路と少なくとも1つの空気/燃料ノズルとを通って空気と共に燃焼室へ流出させる少なくとも1つの液体燃料ノズルと、
を有しており、ガス管と液体燃料管とが流れ方向で少なくとも1つの空気/燃料ノズルの前で終っており、ガスノズルと液体燃料ノズルとが各管の端部に配置され、ランス軸線に対して平行に配向されており、各空気/燃料ノズルと別のノズルとのためにループ状の案内板が設けられ、該案内板が別のノズルから流出するガスもしくは液体燃料流をほぼ90°変向させ、各空気/燃料ノズルへ導入することを特徴とする、液体及び又はガス状の燃料のための燃料ランスによって解決された。
【0012】
本発明の核心は、ランスが適当なノズル装置と、ランスを外套状に取囲む冷却空気供給装置を備え、これによって冷却空気がランスと燃料の冷却のため、早期着火を防止するため、混合プロセスの一般的な促進のために使用されるようになることである。これによって有害成分エミッションを低くして効率を高める最適な混合と燃焼が達成される。さらにガス管と液体燃料管とが流れ方向で少なくとも1つの空気/燃料ノズルの前で終っており、ガスノズルと液体燃料ノズルとが各管の端部に配置され、ランス軸線に対して平行に配向されており、各空気/燃料ノズルと別のノズルとのためにループ状の案内板が設けられ、該案内板が別のノズルから流出するガスもしくは液体燃料流をほぼ90°変向させ、各空気/燃料ノズルへ導入することによって液状燃料の分配と混合とのために空気で運転された噴霧器が実現される。この噴霧器はアングロサクソンの文献により「prefilmigatomizer」として公知である(A.H.Lefebure,Airblast Atomization,Prog.Energy Combust. Sci.,Vol.6,S.233−261(1980)をも参照)。
【0013】
本発明の燃料ランスの第1の有利な実施態様の特徴は少なくとも1つの空気/燃料ノズルと少なくとも1つのガスノズルとが円形に構成され、共通のノズル軸線の上に相前後して配置され、ガスノズルの直径が空気/燃料ノズルの直径よりも小さいことである。ガスノズルから流出するガス流は前述の構成によって空気/燃料ノズルの流過に際して外套状の空気流によって取囲まれる。これにより、一方ではガス状の燃料には実質的に液状の燃料と同じ噴射路が与えられるようになる。他方では空気流はほぼガス量とは無関係にガス噴射を助けるので、ガス流が小さい場合にも燃料室内のエアロダイナミック状態がほぼ変化しなくなる。
【0014】
ランス内及びノズルにおける特に簡単でかつ一様な流動状態は、本発明の第2実施例の如く、液体燃料ノズルが両方の他のノズルと共に共通のノズル軸線の上に配置され、液体燃料ノズルの直径がガスノズルの直径よりも小さく、液体燃料管とガス管とがノズルの範囲でランス外套と固定的に結合されていると、種々の燃料に対して達成される。この場合、内方の管とランス外套との固定的な結合はノズルの相互位置を熱的な膨張に際しても実質的に変化させないために役立つ。
【0016】
本発明の別の有利な実施例によれば、空気通路が燃料ランスの下流側の端部をめぐって案内されており、この端部内に少なくとも1つの、ランス軸線に対してほぼ平行に配向された補助ノズルが設けられており、この補助ノズルを通って空気が空気通路から燃焼室へ流出するようになっている。補助ノズルによって燃料を含んでいない空気はランス先端の後ろの空間に噴射され、この問題のある個所で燃料を含んだ後流れ及び(又は)リサイクルゾーンの形成を阻止する。
【0017】
本発明の燃料ランスを運転する方法の特徴は、ランスを冷却するため及び燃料を分配するために空気通路を通って、数100℃までに達するが600℃よりも低い温度の空気が空気/燃料ノズルに導かれ、そこで燃料流を取囲む套流として燃焼室内へ吹き込まれることである。これによってランスのそばを擦過する燃焼空気流もしくは燃焼ガスの温度が高い場合にもランスの確実な冷却が達成される。
【0018】
本発明の燃料ランスの他の実施態様並びに本発明の運転方法の他の実施態様は従属請求項に記載してある。
【0019】
【実施例】
図1には燃料ランスがガスタービン又はそれに類似したもののケーシング3によって制限された燃焼室2内に配置された状態が側面図で示されている(この場合には室は1部だけしか図示されていない)。燃料ランス1はこの場合にはランス軸線5で燃焼室2の中心軸線上に配置され、熱い燃焼空気がその周囲を流れるようになっている(図1の3つの長い矢印参照)。したがって燃料ランス1は燃焼室2のエアロダイナミック式の状態に適合させられ、流動的に好ましく構成されている。燃料ランス1は細長いランス外套11により取囲まれ、側方へ突出する保持アーム4でケーシング3に固定されている。保持アーム4は同様に流動的に好ましく構成され、図示の横断で翼状の保持アームプロフィール14を有している。
【0020】
保持アーム4と燃料ランス1自体を通っては、図1において部分的に破断されて示されたランス部分によって明らかであるように、複数の管が延びている。これらの管を通ってガス状もしくは液状の燃料と冷却もしくは噴霧化空気が、下流側に置かれたランス先端に導かれ、そこであとから記述する形式で適当な空気/燃料ノズル12と補助ノズル13とを通って燃焼室2内へ噴射される。管は軸方向に延びる、内側に位置する液体燃料管7と該液体燃料管7を同心的に間隔をおいて取囲むガス管9とを含んでいる。ガス管9自体は間隔をおいて同心的にランス外套11で取囲まれている。管と外套とが間隔をおいて同心的に配置されていることで3つの通路が形成される。すなわちそれは内側の液体燃料通路6とガス通路8と空気通路10である。通路は燃料ランス1の運転形式に応じて種々の働きをする。これらの働きについては以後図2から4に示した3つの有利な実施例に基づき説明することにする。
【0021】
図2においては参考例の燃料ランスのランス先端が縦断面図で示されている。このランス先端は種々異なる運転例を説明するために2つの別個の半部に分割されている。上半分は記入された流れ(矢印で示す)と共に、主としてガス状の燃料を用いた運転例に関係し、下半分は主として液状の燃料を用いた運転例に関係する。相応に2つに分割された図面は同じ理由から他の図、図3と図4とにおいても選ばれている。
【0022】
ランス先端においては左から来て内側の液体燃料管7とガス管9とランス外套11とが終っている。ガス管9は端部において半球状の管ヘッド17に移行しており、該管ヘッド17で管を閉鎖している。液体燃料管は管ヘッド17の内面に端面で溶接もしくはろう接され、このような形式で閉鎖されている。ランス外套11は管ヘッド17を間隔をおいて半球シェルの形で取囲んでいるので、ランス外套11とガス管9との間に形成された空気通路10はランス先端のすぐ近くまで達し、管ヘッド17を外側から取囲んでいる。管ヘッド17とランス外套11の前方の半球シェルとの間には複数の結合ウエブ16が溶接されているかろう接されている。このような形式で両方の管7と9とランス外套11とはランス先端の範囲に安定した、固定的に結合されたユニットを形成する。該ユニットは熱的な膨張により起因する管相互間の移動を阻止する。
【0023】
管端の範囲においては複数(有利には4つ)ノズル組が設けられている。これらのノズル組のノズルはそれぞれランス軸線5に対して垂直に(又は傾斜して)延びるノズル軸24の上に配置されている。ノズル組は燃料ランス1の周囲に数と角度間隔において、ノズル組が燃焼室流の所定の2次意匠のもとで後流れを回避して良好な混合を保証するように分配されている。各ノズル組は液体燃料管7に挿入された液体燃料ノズル18とガス管内に挿入されたガスノズル15とランス外套11内に挿入された空気/燃料ノズル12とを有している。各ノズル12,15,18は有利には円形である。これらのノズル12,15,18の直径は段階的であり、内側の液体燃料ノズル18は最小の直径を有し、外側の空気/燃料ノズル18は最大の直径を有している。液体燃料ノズル18の数と直径は通常発生する液体燃料流過量に合わせられている。この場合には、ノズル直径が小さすぎ、ノズルが固形堆積物が形成された場合に閉塞しないように気を付ける必要がある。さらにノズルを通って燃焼室内に噴射される燃料流の数は大きすぎず、燃料ランス1の周囲のエアロダイナミックが妨げられ、ランスの後方に形成される、燃料を含んだ後流れが増大しないようにすることが必要である。
【0024】
図2の上半分に示された純然たるガス噴射を伴う運転例の場合には内側の液体燃料通路6は全く使用されない。燃焼可能なガスはガス通路8とガスノズル15とを通って流れ、そこで空気/燃料ノズル12を通って燃焼室2内へ達する半径方向外方へ向けられたガス流を形成する。同時に空気通路10を通っては数100℃まで、有利には600℃よりも温度の低い冷却空気が供給される。この冷却空気は同様に空気/燃料ノズルから半径方向に燃焼室内に流出し、当初ガス流を外套状に取囲む。冷却空気は複数の働きを有している。すなわち、冷却空気はランス外套11を冷却し、さらに内方にある燃料通路のための熱的な保護外套を形成する。他面においては冷却空気は空気/燃料ノズル12において安定した、変化しない空気流を、どの程度のガスがランスを通して供給されるかとは無関係に生ぜしめる。したがってガス状の燃料の流過量が小さい場合ですら、噴射量の構成はほぼ変化しなくなる。さらに比較的に冷えた空気の外套は効果的な燃焼に必要な、十分に長い混合を燃焼室2内の燃焼空気とガス状の燃料との間で可能にしかつ助成する。何故ならば混合気の早期自己着火は確実に回避されるからである。
【0025】
図2の下方の半分に示された液体燃料噴射を伴う運転例の場合には内方の液体燃料通路6を通って液状の燃料、たいていはオイル−水エマルジョンが液体燃料ノズル18に導かれ、そこで液体燃料流として半径方向外方へ噴射される。この場合にはガス通路8を通っては空気が供給され、この空気はガスノズル15を通って流出し、同様にガスノズル15を通って噴射される液体燃料流との交番作用で液体燃料を小滴に噴霧化する(plain−jet airblast atomization)。噴霧化流は空気/燃料ノズル12において前述したように冷却空気外套(噴霧化にも関与する)により取囲まれ、最終的に燃焼室2へ噴射される。空気通路10内を流れる空気による冷却に加えて、ガス通路における補助空気によって別の熱的な遮蔽段階が与えられる。これによって液体燃料管6における液体燃料は固形の堆積が確実に回避される温度になる。
【0026】
前述の記載から判るようにランスにおける冷却もしくは補助空気は同時に複数の働きを有している。冷却もしくは補助空気はランスを冷却し、内部に位置する燃料通路を高すぎる温度に対して保護する。冷却もしくは補助空気は噴射に際して燃料流を冷却し、ひいてはその加熱を延時するので、自己着火の前に燃焼空気との十分な混合が行なわれる。冷却もしくは補助空気は補助空気として液体燃料の必要な噴霧化を行なう。冷却もしくは補助空気は空気/燃料ノズル12から流出する場合に套流として燃焼室における燃料流の混合を助ける。冷却もしくは補助空気流は燃料流が少ない場合にもノズル組から流出するジェット流を維持する。
【0027】
これらのすべての過程においてノズル12,15,18の特別な配置によって、ガス状又は液状の燃料が使用されるかとは無関係に、常に同じエアロダイナミック式の構成が得られる。すなわち、燃料流は同じ形式で燃焼室2内へ噴射される。管7,9が互いにかつランス外套11と安定的に結合されているために、種々の温度分布によってランスに熱的な応力が存在していても、ノズル組の単軸の配置が維持される。
【0028】
空気通路10からの空気は有利な形式でさらに別の働きをする。すなわち流動方向でランス先端の後ろには流体技術的な理由から原則的に燃料を含んだ後流れが形成される。この結果、火炎バックフラッシュ又は音響的な振動(脈動)が生じる。このような現象は燃焼室を負荷し、とりわけ高い有害成分エミッションをもたらすので許容できない。これらを阻止するためにはランス先端に有利にはランス軸線5に中心的に配置された補助ノズル13が設けられ、この補助ノズル13を通って燃焼を含まない空気流が空気通路10から、内焼室の、先端の後ろにある部分に噴射される。同時にこの処置によっては燃料ランスが最先端まで冷却されることが達成される。
【0029】
図3においては参考例の燃料ランスの別の構成が示されている。この場合、図3のAは図2の描写に相当し、図3のBは図3のAのA−A線に沿った断面図である。この場合、液体燃料ノズル18を有する範囲は図3のAにおいてはランス軸線5を中心として回動させて示されている。図示の実施例は、図2の実施例とは、特に液体燃料ノズル18の配置に関して異なっている。この場合にはノズル18は長くは他のノズル12と15と一緒に共通のノズル軸線24の上に配置されているのではなく、ランス先端から離れて後方へ移動させられ、同時にランス軸線5を中心として回動させられている(図3のB)。したがってノズル18から流出する液体燃料流も長くは両方の他のノズル15,12を通って直接的には外へ流出しない。この場合には他の空気/燃料ノズル12,15に対する液体燃料ノズル18の不動な位置はもはや必要ではないので、液体燃料管7はすでに管ヘッド17の前で終ることができ、管ヘッド17に固定される必要はない。
【0030】
図2の参考例に対する別の相違は、ガスノズル15にそれぞれ1つの案内管19が嵌合させられ、この案内管19がガスノズル15から空気通路10を通って空気/燃料ノズル12内に突入していることである。これによってすでに述べた套流の形成が効果的になり、案内管19を通って流れるガス流が空気/燃料ノズル12から流出するときに比較的に保護されて燃焼室2内に達するようになる。
【0031】
図3のAの上方の部分図においては、図2におけるように、ガス状の燃料を用いた運転例が示されている。この場合には液体燃料管7は空でありかつ使用されない。噴射流の形成はこの場合には、図2の場合と完全に同じ形式で行なわれる。下方の部分図においては液体燃料を用いた運転例が示されている。すなわち、液体燃料は噴射流として液体燃料ノズル18から流出し、ガス通路8内を送られてきた補助空気によってガス管9の内壁に沿ってガスノズル15に連行され、そこで補助空気と一緒に案内管19を通って噴射される。このときに同時に噴霧化が行なわれる(air assist atomizer)。この場合、液体燃料ノズル18の両側の付加的なリング薄板20は流動状態を改善する。
【0032】
本発明の燃料ランスの構成は図4に示されている。図4のAは図2もしくは図3のAに相応しているのに対し、図4のBにおいては流れ方向で見て、使用されている案内薄板の特別な形状と、案内薄板とノズルとが協働する状態とが示されている。図4の構成の場合には空気/燃料ノズル12は図2と図3の実施例と同じ個所に配置されている。これに対してはっきり異なっているのは、他のノズルの配置状態である。ガス管9と液体燃料管7とは、流れ方向で見てすでに空気/燃料ノズル12の前で終っている。各空気/燃料ノズル12に配属されたガスノズル15と液体燃料ノズル12は各管(9もしくは7)の端部に位置し、ランス軸線5に対して平行に配向されている。各空気/燃料ノズル12と、これに配属されたノズル15,18とのためには、羽根状の案内薄板22が設けられている。この案内薄板22は、これに配属されたノズル15,18から流出するガスもしくは液体燃料流をほぼ90°変向させ、それぞれの空気/燃料ノズル12に導入する。図4のBから判るように案内薄板22はクローバの葉のようにランス軸線5を中心として配置されている。
【0033】
各案内薄板22は有利には空気/燃料ノズル12の範囲で閉じられた薄板リング23を形成している。この薄板リング23の直径は空気/燃料ノズル12の直径よりも小さい。このようにして所属のノズル15,18から流出する変向された流れは、空気/燃料ノズル12から流出するときに、この場合にも外套状に空気流により取囲まれる。ガスノズル15内にはそれぞれ付加的に案内管19を嵌合させ、案内薄板22によるガス流の確実な変向が保証されるようにできる。案内薄板22はノズル(12,15,18)の範囲でランス外套11に固定的に結合されているので、これらのノズルは空気/燃料ノズル12に対して相対的に移動することはできない。結合は図2もしくは図3の管ヘッド17に相当しかつ既に述べた結合ウエブ16でランス外套11に固定された、半球シェル状の管ヘッド21を介して行なわれる。
【0034】
図4の上方の部分図においては、この場合にも、液体燃料管7は使用されていない。この場合にはガス流はガス通路8から案内管19を通って流出し、案内薄板22で変向され、薄板リング23で集束され、空気/燃料ノズル12を通って、空気流で外套状に取囲まれて燃焼室内へ噴射される。下方の部分図に示された液体燃料運転の場合にはガス通路8は使用されない。すなわち、液体燃料ノズル18から流出する液体燃料流は補助空気なしで液体燃料膜として案内薄板22の内壁に沿って空気/燃料ノズル12へ導かれ、薄板リングの外縁で微細な小滴を剥離することで噴霧化される(prefilmer atomizer)。
【0035】
図5には燃料ランスの別の参考例が示されている。この参考例では、液体燃料ノズル18と適当な空気/燃料ノズル12だけがノズル軸線24の上に配置されている。ガスノズル15は前述のノズル18,12とは無関係に流れ方向で見て該ノズル18,12の前に配置されている。ガス運転(図の上半部)の場合にはガスはすでに空気/燃料ノズル12の前で空気通路10において冷却空気と強く混合される。ガス−空気混合物は空気/燃料ノズル12を通って燃焼室に噴射される。この場合、ガスノズル15から発する、ガスノズルのそばを延びる空気管20は燃料を含有しない冷却空気をランスのヘッド範囲へ導く。そこで冷却空気は後流れを阻止するために補助ノズル13を通って燃焼室内へ噴射される。液体燃料運転(図5の下方半部)の場合には、液体燃料は管ヘッド17に配置された液体燃料ノズル18から空気管20のそばを通って直接的に空気/燃料ノズル12に流れ、そこですでに述べたように空気通路10からの冷却空気と協働する。
【0036】
全体的に本発明によっては、同じエアロダイナミック構成でガス状と液状の燃料を噴射でき、燃焼ガス温度が高い場合にも確実に働き、液体燃料の良好な噴霧化を可能にし、しかも延時された混合過程によって有害成分エミッションを低くできる燃料ランスが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 燃焼室に配置された燃料ランスの側面図。
【図2】 燃料ランスの第1参考例の先端の縦断面図(上方半分はガス状の燃料を用いた運転、下方半分は液状の燃料を用いた運転を示す)。
【図3】 燃料ランスの第2参考例の縦断面図(A)と横断面図(B)。
【図4】 本発明の燃料ランスの縦断面図(A)と案内薄板を示した図(B)。
【図5】 ガスノズルが流れ方向で他のノズルの前に配置された参考例を示した図。
【符号の説明】
1 燃料ランス、 2 燃焼室、 3 ケーシング、 4 保持アーム、 5 ランス軸線、 6 液体燃料通路、 7 液体燃料管、 8 ガス通路、 9 ガス管、 10 空気通路、 11 ランス外套、 12 空気/燃料ノズル、 13 補助ノズル、 14 保持アームプロフィール、 15 ガスノズル、 16 結合ウエブ、 17,21 管ヘッド、 18 液体燃料ノズル、 19 案内管、 20 案内管、 22 案内薄板、 23 薄板リング、 24 ノズル軸線[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to the field of combustion technology. The present invention is directed to a fuel lance for liquid and / or gaseous fuel inserted into a combustion chamber, such as a fuel lance used in a gas turbine.
[0002]
[Prior art]
In order to inject liquid and / or gaseous fuel into the combustion chamber of the premixing burner, a fuel lance is used that enters the combustion chamber and distributes the fuel appropriately into the combustion air flowing beside it. The
[0003]
When designing such a fuel lance, it is necessary to meet various requirements that are partly due to environmental conditions and partly due to imposed requirements.
[0004]
That is, the combustion air flowing by the fuel lance has a temperature that is substantially independent of the fuel flow in the lance. The lance itself and the fuel introduced in the lance must be protected against too high temperatures of the combustion air.
[0005]
When the combustion chamber is operated between full load and partial load with a high fuel ratio, the fuel is provided in an appropriate distribution in any operating state, supplied to the combustion air stream in the same manner, and Care must be taken to be mixed. Since burner aerodynamics is practically independent of fuel, both gaseous and liquid fuel must be able to be injected into the combustion air stream in the same manner in order to achieve proper combustion.
[0006]
We want the lance to use as little transport or auxiliary air as possible so that the efficiency of the burner is as great as possible.
[0007]
Furthermore, care must be taken to minimize the recycle zone or wake that is formed in the range of the fuel lance and is filled with a gas containing fuel, resulting in a flame backflush or thermoacoustic vibration.
[0008]
When injecting liquid fuel, i.e. when injecting oil, it must be avoided that the finely distributed oil-air mixture is ignited prematurely.
[0009]
In addition, for liquid fuels, harmful deposits must be prevented from forming inside the lance due to the elevated temperature and fuel vaporization. This is because this deposit hinders the operation of the lance in the long run or makes it impossible at all.
[0010]
[Problems of the Invention]
An object of the present invention is to provide a fuel lance that satisfies the above-mentioned requirements, reliably injects gaseous and / or liquid fuel, increases efficiency, and emits less harmful components.
[0011]
[Means for solving the problems]
The subject of the present invention is a fuel lance for liquid and / or gaseous fuel inserted into the combustion chamber,
(A) a liquid fuel pipe extending along the lance axis surrounding the liquid fuel passage for guiding the liquid fuel;
(B) a gas pipe that surrounds the liquid fuel pipe and forms a gas passage for supplying gaseous fuel to and from the liquid fuel pipe;
(C) a lance mantle for enclosing the gas pipe and forming an air passage for guiding cooling or atomizing air to and from the gas pipe;
(D) at least one air / fuel nozzle provided on the side of the downstream end of the fuel lance, for flowing air from the air passage to the combustion chamber surrounding the fuel lance;
(E) at least one gas nozzle disposed in the gas pipe and for allowing gas from the gas passage to flow with the air to the combustion chamber through the air passage and at least one air / fuel nozzle;
(F) at least one liquid fuel nozzle disposed in the liquid fuel pipe and allowing liquid fuel from the liquid fuel passage to flow with the air to the combustion chamber through the air passage and at least one air / fuel nozzle;
The gas pipe and the liquid fuel pipe end in front of at least one air / fuel nozzle in the flow direction, the gas nozzle and the liquid fuel nozzle being arranged at the end of each pipe, Oriented parallel to each other and provided with a loop-shaped guide plate for each air / fuel nozzle and another nozzle, which guides the gas or liquid fuel flow exiting from another nozzle by approximately 90 °. Solved by a fuel lance for liquid and / or gaseous fuel, characterized by turning and introduction into each air / fuel nozzle.
[0012]
The core of the present invention comprises a nozzle device with a suitable lance and a cooling air supply device that encloses the lance in a mantle shape so that the cooling air prevents premature ignition for cooling the lance and fuel. Is to be used for general promotion of. This achieves optimal mixing and combustion that lowers harmful component emissions and increases efficiency. Furthermore, the gas pipe and the liquid fuel pipe end in front of at least one air / fuel nozzle in the flow direction, the gas nozzle and the liquid fuel nozzle being arranged at the end of each pipe and oriented parallel to the lance axis A loop-shaped guide plate is provided for each air / fuel nozzle and another nozzle, the guide plate redirects the gas or liquid fuel flow flowing out of the other nozzle by approximately 90 °, By introducing into the air / fuel nozzle, an air operated atomizer for liquid fuel distribution and mixing is realized. This nebulizer is known as “prefilmigatorizer” by Anglo-Saxon literature (see also AH Lefebure, Airblast Atomization, Prog. Energy Combust. Sci., Vol. 6, S. 233-261 (1980)).
[0013]
The first advantageous embodiment of the fuel lance according to the invention is characterized in that at least one air / fuel nozzle and at least one gas nozzle are arranged in a circle and are arranged one after the other on a common nozzle axis. Is smaller than the diameter of the air / fuel nozzle. The gas stream flowing out of the gas nozzle is surrounded by the jacket-like air stream when the air / fuel nozzle flows as described above. This, on the other hand, gives the gaseous fuel the same injection path as the substantially liquid fuel. On the other hand, since the air flow assists the gas injection almost independently of the amount of gas, the aerodynamic state in the fuel chamber hardly changes even when the gas flow is small.
[0014]
A particularly simple and uniform flow condition in the lance and in the nozzle is that the liquid fuel nozzle is placed on a common nozzle axis along with both other nozzles, as in the second embodiment of the invention. This is achieved for various fuels if the diameter is smaller than the diameter of the gas nozzle and the liquid fuel tube and the gas tube are fixedly connected to the lance mantle in the area of the nozzle. In this case, the fixed connection between the inner tube and the lance mantle serves to keep the mutual position of the nozzles from changing substantially during thermal expansion.
[0016]
According to another advantageous embodiment of the invention, an air passage is guided around the downstream end of the fuel lance, in which at least one auxiliary, oriented substantially parallel to the lance axis. A nozzle is provided, through which air flows out from the air passage to the combustion chamber. Air that does not contain fuel is injected into the space behind the lance tip by the auxiliary nozzle, preventing the formation of recycle zones and / or recycle zones containing fuel at these problematic locations.
[0017]
The method of operating the fuel lance of the present invention is characterized by the fact that air that reaches temperatures up to several hundred degrees Celsius but lower than 600 degrees Celsius passes through the air passages to cool the lance and to distribute fuel. It is led to the nozzle, where it is blown into the combustion chamber as a cannula surrounding the fuel flow. As a result, reliable cooling of the lance is achieved even when the temperature of the combustion air stream or the combustion gas scrubbing by the lance is high.
[0018]
Other embodiments of the fuel lance according to the invention as well as other embodiments of the operating method according to the invention are described in the dependent claims.
[0019]
【Example】
FIG. 1 shows a side view of a fuel lance arranged in a combustion chamber 2 restricted by a
[0020]
A plurality of tubes extend through the holding
[0021]
In FIG. 2, the lance tip of the fuel lance of the reference example is shown in a longitudinal sectional view. The lance tip is divided into two separate halves to illustrate different operating examples. The upper half is mainly related to the operation example using gaseous fuel with the entered flow (indicated by arrows), and the lower half is mainly related to the operation example using liquid fuel. Correspondingly, the drawing divided in two is selected in the other figures, FIGS. 3 and 4, for the same reason.
[0022]
At the tip of the lance, the inner
[0023]
In the range of the tube end, a plurality (preferably four) nozzle sets are provided. The nozzles of these nozzle sets are each disposed on a
[0024]
In the case of the operating example with pure gas injection shown in the upper half of FIG. 2, the inner
[0025]
In the example of operation with liquid fuel injection shown in the lower half of FIG. 2, liquid fuel, usually an oil-water emulsion, is led to the
[0026]
As can be seen from the above description, the cooling or auxiliary air in the lance has multiple functions simultaneously. Cooling or auxiliary air cools the lance and protects the fuel passage located inside against too high temperatures. Cooling or auxiliary air cools the fuel stream during injection and thus delays its heating, so that sufficient mixing with the combustion air occurs before self-ignition. Cooling or auxiliary air provides the necessary atomization of liquid fuel as auxiliary air. Cooling or auxiliary air assists in mixing the fuel flow in the combustion chamber as a sluice when exiting the air /
[0027]
In all these processes, the special arrangement of the
[0028]
The air from the
[0029]
FIG. 3 shows another configuration of the fuel lance of the reference example. In this case, FIG. 3A corresponds to the depiction in FIG. 2, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. In this case, the range having the
[0030]
Another difference from the reference example of FIG. 2 is that each
[0031]
In the upper partial view of FIG. 3A, as in FIG. 2, an example of operation using gaseous fuel is shown. In this case, the
[0032]
The configuration of the fuel lance of the present invention is shown in FIG. 4A corresponds to A in FIG. 2 or FIG. 3, whereas in FIG. 4B, in the flow direction, the special shape of the guide sheet used, the guide sheet and the nozzle Are shown to cooperate. In the case of the configuration of FIG. 4, the air /
[0033]
Each
[0034]
In the upper partial view of FIG. 4, the
[0035]
FIG. 5 shows another reference example of the fuel lance. In this reference example, only the
[0036]
Overall, according to the present invention, gaseous and liquid fuels can be injected with the same aerodynamic configuration, which works reliably even when the combustion gas temperature is high, enabling good atomization of the liquid fuel and being delayed. A fuel lance that can reduce harmful component emissions by the mixing process is obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view of a fuel lance disposed in a combustion chamber.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the tip of a first reference example of a fuel lance (upper half shows operation using gaseous fuel, and lower half shows operation using liquid fuel).
FIG. 3 is a longitudinal sectional view (A) and a transverse sectional view (B) of a second reference example of a fuel lance.
FIG. 4 is a longitudinal sectional view (A) of a fuel lance according to the present invention and a view (B) showing a guide thin plate.
FIG. 5 is a view showing a reference example in which a gas nozzle is arranged in front of another nozzle in the flow direction.
[Explanation of symbols]
1 fuel lance, 2 combustion chamber, 3 casing, 4 holding arm, 5 lance axis, 6 liquid fuel passage, 7 liquid fuel pipe, 8 gas passage, 9 gas pipe, 10 air passage, 11 lance mantle, 12 air / fuel nozzle , 13 auxiliary nozzle, 14 holding arm profile, 15 gas nozzle, 16 coupling web, 17, 21 tube head, 18 liquid fuel nozzle, 19 guide tube, 20 guide tube, 22 guide thin plate, 23 thin plate ring, 24 nozzle axis
Claims (6)
(イ)液状の燃料を導く液体燃料通路を取囲む、ランス軸線(5)に沿って延びる液体燃料管(6)と、
(ロ)液体燃料管(7)を取囲み、液体燃料管(7)との間にガス状の燃料を供給するためのガス通路を形成するガス管(9)と、
(ハ)ガス管(9)を取囲み、ガス管(9)との間に冷却もしくは噴霧化空気を導くための空気通路(10)を形成するためのランス外套(11)と、
(ニ)燃料ランス(1)の下流側の端部の側部に設けられ、空気通路(10)から燃料ランス(1)を取囲む燃焼室(2)へ空気を流出させる少なくとも1つの空気/燃料ノズル(12)と、
(ホ)ガス管(9)内に配置され、ガス通路(8)からのガスを空気通路(10)と少なくとも1つの空気/燃料ノズル(12)とを通って空気と共に燃焼室(2)へ流出させる少なくとも1つのガスノズル(15)と、
(ヘ)液体燃料管(7)内に配置され、液体燃料通路(6)からの液体燃料を空気通路(10)と少なくとも1つの空気/燃料ノズル(12)とを通って空気と共に燃焼室(2)へ流出させる少なくとも1つの液体燃料ノズル(18)と、
を有しており、
ガス管(9)と液体燃料管(7)とが流れ方向で少なくとも1つの空気/燃料ノズル(12)の前で終っており、ガスノズル(15)と液体燃料ノズル(18)とが各管(9もしくは7)の端部に配置され、ランス軸線 ( 5)に対して平行に配向されており、各空気/燃料ノズル(12)と別のノズル(15,18)とのためにループ状の案内板(22)が設けられ、該案内板(22)が別のノズル(15,18)から流出するガスもしくは液体燃料流をほぼ90°変向させ、各空気/燃料ノズル(12)へ導入する、
ことを特徴とする、液体及び又はガス状の燃料のための燃料ランス。In a fuel lance for liquid and / or gaseous fuel inserted into the combustion chamber (2),
(A) a liquid fuel pipe (6) extending along the lance axis (5) surrounding the liquid fuel passage for guiding the liquid fuel;
(B) a gas pipe (9) that surrounds the liquid fuel pipe (7) and forms a gas passage for supplying gaseous fuel to and from the liquid fuel pipe (7);
(C) a lance mantle (11) surrounding the gas pipe (9) and forming an air passage (10) for guiding cooling or atomizing air to and from the gas pipe (9);
(D) at least one air / flow which is provided on the side of the downstream end of the fuel lance (1) and allows air to flow from the air passage (10) to the combustion chamber (2) surrounding the fuel lance (1). A fuel nozzle (12);
(E) Arranged in the gas pipe (9), gas from the gas passage (8) passes through the air passage (10) and at least one air / fuel nozzle (12) with the air to the combustion chamber (2). At least one gas nozzle (15) to be discharged;
(F) a liquid chamber (7) disposed within the liquid fuel pipe (7) for passing the liquid fuel from the liquid fuel passage (6) with the air through the air passage (10) and at least one air / fuel nozzle (12); at least one liquid fuel nozzle to flow out to 2) and (18),
Have
A gas pipe (9) and a liquid fuel pipe (7) end in front of at least one air / fuel nozzle (12) in the flow direction, and a gas nozzle (15) and a liquid fuel nozzle (18) 9 or 7) , oriented parallel to the lance axis ( 5) and looped for each air / fuel nozzle (12) and another nozzle (15, 18) A guide plate (22) is provided, which guides the gas or liquid fuel flow flowing out of another nozzle (15, 18) by approximately 90 ° and introduces it into each air / fuel nozzle (12). To
A fuel lance for liquid and / or gaseous fuel, characterized in that
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